DE102018117388A1

DE102018117388A1 - Pumpspeicherkraftwerk und Verfahren zum Aufbau eines Pumpspeicherkraftwerks

Info

Publication number: DE102018117388A1
Application number: DE102018117388.1A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Betz
Original assignee: Max Boegl Wind AG
Current assignee: Max Boegl Wind AG
Priority date: 2018-07-18
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2020-01-23

Abstract

Bei einem Pumpspeicherkraftwerk (1) mit einem Oberreservoir (4), einem Unterreservoir (5) und einer Kraftwerkseinheit (7) beinhaltet das Oberreservoir (4) und/oder das Unterreservoir (5) ein künstliches Becken (8). Das Unterreservoir (5) beinhaltet dabei mehrere künstliche Becken (8). Bei einem entsprechenden Verfahren zum Aufbau eines Pumpspeicherkraftwerks mit einem Oberreservoir (4), einem Unterreservoir (5) und einer Kraftwerkseinheit (7) wird zumindest das Unterreservoir (5) aus mehreren künstlichen Becken (8) aufgebaut.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pumpspeicherkraftwerk mit einem Oberreservoir, einem Unterreservoir und einer Kraftwerkseinheit, wobei das Oberreservoir und/oder das Unterreservoir ein künstliches Becken beinhaltet.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufbau eines Pumpspeicherkraftwerks mit einem Oberreservoir, einem Unterreservoir und einer Kraftwerkseinheit, wobei das Oberreservoir und/oder das Unterreservoir ein künstliches Becken beinhaltet.
Pumpspeicherkraftwerke sind Energiespeicher, die elektrische Energie in potenzielle Energie einer gewissen Masse an Wasser bzw. die potenzielle Energie einer Wassermenge in elektrische Energie umwandeln können. Es ist bekannt, dass hierzu ein Höhenunterschied, der meist von einer natürlichen Hanglage gegeben ist, über ein Rohrsystem, das eine Turbine und eine Pumpe oder eine Pumpturbine beinhaltet, überbrückt wird. Am oberen Ende des Höhenunterschieds bildet ein sog. Oberreservoir den Speicher für die Wassermenge. Entsprechend ist am unteren Ende des Höhenunterschieds ein Unterreservoir vorgesehen. Beim Speichern von Energie wird Wasser vom Unterreservoir über die Rohrleitung in das Oberreservoir gepumpt. Beim Abrufen der gespeicherten Energie wird Wasser aus dem Oberreservoir durch die Turbine in das Unterreservoir geleitet. Um die Wirtschaftlichkeit einer solchen Anlage zu gewährleisten sind große Wassermengen erforderlich. Für die Reservoirs werden somit meist natürliche Wasserspeicher, wie Seen oder Flüsse, genutzt, was die Anzahl möglicher Standorte für derartige Pumpspeicherkraftwerke stark einschränkt.
Aus der WO 2014/195138 A1 ist ein Pumpspeicherkraftwerk bekannt, das ein Ober- und ein Unterwasserbecken aufweist, die auch künstlich hergestellt sein können. Hierbei ist zu beachten, dass die genannten Becken aufgrund der Wassermengen sehr groß und stabil sein müssen. Der Platzbedarf schränkt wiederum die Anzahl möglicher Standorte ein und sorgt für einen deutlichen Einschnitt in das Landschaftsbild im Bereich eines solchen Kraftwerks. Der bauliche Aufwand dieser künstlichen Becken sorgt für hohe Kosten und wenig Flexibilität.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, das Pumpspeicherkraftwerk und den Aufbau des Pumpspeicherkraftwerks im Hinblick auf eine effiziente und flexible Wasserspeicherung zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Pumpspeicherkraftwerk und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
Das erfindungsgemäße Pumpspeicherkraftwerk mit einem Oberreservoir, einem Unterreservoir und einer Kraftwerkseinheit, wobei das Oberreservoir und/oder das Unterreservoir ein künstliches Becken beinhaltet, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Unterreservoir mehrere künstliche Becken beinhaltet, insbesondere aus mehreren künstlichen Becken aufgebaut ist.
Die Becken sind Freispiegelbecken, das heißt, dass die Speichervolumen nur dem atmosphärischem Druck ausgesetzt sind und nicht z.B. mit Hilfe von zusätzlichen Medien unter zusätzlichem Druck gebracht werden.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Becken als offene Becken ausgeführt sind, d.h. die Becken eine Form mit einer offenen Oberseite aufweisen. Denkbar ist es aber, die Becken beispielsweise mit einer Folie abzudecken, um Verdunstung zu vermeiden.
Die beschriebene Kraftwerkseinheit umfasst insbesondere eine Pumpe, eine Turbine oder eine Pumpturbine und kann zusätzlich Elemente der Steuerung der genannten Komponenten und beispielsweise des gesamten Pumpspeicherkraftwerks enthalten.
Der Aufbau des Unterreservoirs aus künstlichen Becken macht den Standort für das Pumpspeicherkraftwerk unabhängig von der Anwesenheit eines natürlichen Wasserreservoirs, wie eines Flusses oder Sees. Der Aufbau aus mehreren Becken führt außerdem dazu, dass das vorhandene Gelände besser ausgenutzt werden kann. Statt eines großen Beckens kann das benötigte Volumen auf mehrere kleinere Becken verteilt werden. Die Anforderungen und somit der bauliche Aufwand werden somit für jedes einzelne Becken und auch für das Unterreservoir insgesamt geringer. Die einzelnen Becken können die vorhandene Topographie besser ausnutzen und besser in das Landschaftsbild integriert werden als ein großes Becken mit vergleichbarem Volumen. Es wird ebenfalls möglich, die Kapazität des Pumpspeicherkraftwerks im Nachhinein zu erweitern, indem weitere Becken hinzugefügt werden. Auch eine Teilinbetriebnahme während der Bauarbeiten sowie eine Teilwartung einzelner Becken unter Betrieb ist möglich. Ebenfalls denkbar ist die Erweiterung eines natürlichen Wasserspeichers mit zusätzlichen künstlichen Becken.
Durch kleinere, gezieltere Eingriffe ist es darüber hinaus möglich, Genehmigungsprozesse zu beschleunigen, z.B. in Kombination mit benachbarten, integrierten Windenergieanlagen.
Um ein gemeinsames Unterreservoir zu bilden, sind die einzelnen Becken über ein Rohrsystem verbunden, wobei die Becken vorzugweise auf demselben Höhenniveau angeordnet sind. Dies erlaubt es, das Speichervolumen eines jeden Beckens optimal auszunutzen. Denkbar ist es aber auch, beispielsweise dem natürlichen Geländeverlauf folgend, die Becken auf einem leicht unterschiedlichen Höhenniveau anzuordnen, wobei ein Wasserschloss vorzusehen ist, das sowohl den niedrigst- als auch den höchstmöglichen Befüllwasserstand der Becken abdeckt. Hier zeigt sich ein weiterer Vorteil der in Becken aufgelösten Reservoirs: Die Höhenlage der Topographie kann dabei auch dergestalt ausgenutzt werden, dass auf Wasserschlösser gänzlich verzichtet werden kann.
Die einzelnen Becken können beispielsweise abgeschlossen sein, was bei einem natürlichen Wasserspeicher oder einem großen künstlichen Wasserreservoir nur unter extremem Aufwand möglich wäre. Ein Abschluss könnte vorteilhaft durch Photovoltaikelemente erfolgen. Hierdurch ist das Wasser vor äußeren Einflüssen, wie Verschmutzung, Frost und Hochwasser geschützt, und kann besser kontrolliert werden. Auch die Verdunstung, und damit der Verlust von zur Verfügung stehender Wassermenge, kann so reduziert werden.
Es ist vorteilhaft, wenn die mehreren künstlichen Becken des Unterreservoirs untereinander gleichförmig ausgebildet sind und vorzugsweise jeweils gleiche Abmessungen aufweisen. Da sich bei einer druckausgleichenden Verbindung zwischen den Becken und einer Anordnung auf gleichem Höhenniveau überall die gleiche Höhe des Wasserspiegels ausbildet, ist es für eine optimale Ausnutzung des Speichervolumens vorteilhaft, gleichförmige Becken vorzusehen. Andernfalls müsste die Befüllung und Entleerung der einzelnen Becken durch Ventile und eine entsprechende Steuerung gesteuert werden, was die Komplexität der Anlage deutlich erhöht.
Die Becken können beispielsweise zylindrisch oder näherungsweise zylindrisch, beispielsweise durch eine polygonzylindrische Form, geformt sein, was die Kraft des gespeicherten Wassers auf die Außenwände der Becken optimal verteilt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Oberreservoir aus mehreren, vorzugsweise untereinander gleichförmigen, künstlichen Becken aufgebaut ist. Die bereits beschriebenen Vorteile gelten hierdurch ebenfalls für das Oberreservoir. Auch hier sind die einzelnen Becken vorzugweise auf demselben Höhenniveau angeordnet und sind untereinander über Rohrleitungen verbunden. Analog zum Unterreservoir ist die Erweiterung der Speicherkapazität eines natürlichen Wasserspeichers mit zusätzlichen künstlichen Becken denkbar.
Vorzugsweise entspricht die Anzahl der einzelnen Becken des Oberreservoirs der Anzahl der Becken des Unterreservoirs.
Insgesamt ist es von Vorteil, wenn die Becken des Oberreservoirs die gleichen Abmessungen wie die Becken des Unterreservoirs aufweisen. Insbesondere können alle Becken des Pumpspeicherkraftwerks die gleiche Form und die gleichen Abmessungen aufweisen. Dies ermöglicht einen modularen Aufbau des Pumpspeicherkraftwerks und erleichtert Planung, Aufbau und Erweiterung. Die Becken können beispielsweise aus Standardbauteilen aufgebaut sein, was die Effizienz beim Aufbau des Kraftwerks steigert und die Kosten senkt.
Es ist außerdem von Vorteil, wenn die Becken des Unterreservoirs und/oder des Oberreservoirs kreiszylindrisch oder polygonzylindrisch ausgebildet sind, wobei ein Verhältnis von Radius zu Höhe zwischen 2:1 und 4:1 beträgt bzw. ein Verhältnis zwischen Umkreisdurchmesser und Höhe zwischen 4:1 und 8:1 liegt. Eine kreiszylindrische oder polygonzylindrische Form führt zu einer gleichmäßigen Verteilung der Kraft der gespeicherten Wassermenge auf die Außenwand der Becken. Bei einer polygonzylindrischen Form können die Standardbauteile, aus denen die Außenwand des Beckens beispielsweise zusammengesetzt ist, gerade sein. Dem angegebenen Bereich für das Verhältnis von Radius zu Höhe eines zylindrischen Beckens liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich hier für ein gegebenes Speichervolumen ein Optimum für die Oberfläche der gespeicherten Wassermenge und die Kosten für die Errichtung des Beckens ergibt.
Wie bereits angedeutet, ist es für einen zeit- und kosteneffizienten Aufbau des Pumpspeicherkraftwerks von Vorteil, wenn zumindest eine Seitenwand der Becken des Unterreservoirs und/oder des Oberreservoirs aus Betonfertigteilen aufgebaut ist, wobei vorzugsweise die Betonfertigteile als standardisierte Gleichteile ausgebildet sind. Die Betonfertigteile können so abseits der Baustelle für das Pumpspeicherkraftwerk kostengünstig vorgefertigt werden und müssen anschließend nur zusammengesetzt werden. Eventuell können Betonfertigteile auch mit Ortbeton kombiniert werden. Außerdem ist es denkbar, Becken aus Betonfertigteilen mit Becken aus Ortbeton zu kombinieren. Für zusätzliche Stabilität können die Betonfertigteile und/oder der Ortbeton eine Bewehrung aufweisen.
Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn die Seitenwand nur aus den standardisierten Gleichteilen aufgebaut ist, welche mit Ortbetonfugen verbunden sind. Auf diese Weise wird der Aufbau der Becken weiter vereinfacht. Die Ortbetonfugen dienen der Abdichtung und Stabilisierung der Becken.
Zur einfachen Herstellung der Betonfertigteile und insbesondere der standardisierten Gleichteile ist es vorteilhaft, wenn diese als ebene Wandtafeln ausgebildet sind. Die Seitenwand der Becken bildet in diesem Fall einen geschlossenen Polygonzug. Ebene Wandtafeln sind leichter herzustellen und leichter zu transportieren als beispielsweise runde oder schalenförmige Betonfertigteile. Bei großem Umfang des Beckens im Vergleich zur Länge der Wandtafeln kann sich dennoch eine näherungsweise zylindrische bzw. polygonzylindrische Form des Beckens ergeben.
Zur wasserdichten und stabilen Verbindung der Betonfertigteile und insbesondere der standardisierten Gleichteile ist es von Vorteil, wenn diese Vergusstaschen mit einer Anschlussbewehrung aufweisen. Der Ortbeton, der zum Verguss der Betonfertigteile dient, überbrückt somit die Grenzflächen der Fertigteile und sorgt für eine wasserdichte und insbesondere mit der Anschlussbewehrung stabile Verbindung.
Die Anschlussbewehrung kann vorzugsweise bereits bei der Herstellung der Betonfertigteile, ggf. aber auch vor Ort auf der Baustelle in die Vergusstaschen eingebracht werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Pumpspeicherkraftwerk ein als künstliches Becken ausgeführtes Wasserschloss beinhaltet. Ein Wasserschloss ist ein zusätzliches Wasserreservoir, das in der Regel mit dem Rohrsystem des Speicherkraftwerks im Bereich des Oberreservoirs verbunden ist. Das Wasserschloss ist druckausgleichend mit der umgebenden Atmosphäre verbunden, so dass durch ein Erhöhen oder Absenken des Wasserspiegels im Wasserschloss Druckschwankungen im Rohrsystem ausgeglichen werden. Diese Druckschwankungen können beispielsweise bei der Inbetriebnahme der Turbine oder der Pumpe auftreten und bei fehlendem Ausgleich im schlimmsten Fall zum Bersten der Leitungen führen.
Es ist denkbar, das Wasserschloss mit von den anderen Becken des Pumpspeicherkraftwerks unabhängiger Form und/oder unabhängigen Maßen auszuführen. Beispielsweise kann das Wasserschloss höher als das oder die Becken des Oberreservoirs sein, um zusätzlichen Raum für Wasserspiegelschwankungen zu gewinnen. Alternativ ist es aber ebenfalls möglich, das Wasserschloss zu den übrigen Becken des Pumpspeicherkraftwerks gleichförmig und ggf. auch mit gleichen Abmessungen auszubilden.
Es ist vorteilhaft, wenn zumindest eine Seitenwand des Wasserschlosses aus Betonfertigteilen, insbesondere aus den standardisierten Gleichteilen, aufgebaut ist. Die vorgefertigten Teile erlauben ein schnelles und kostengünstiges Aufbauen des Wasserschlosses. Es können beispielsweise die gleichen Betonfertigteile wie für die übrigen Becken des Pumpspeicherkraftwerks verwendet werden.
Es ist denkbar, das Wasserschloss ausschließlich aus Betonfertigteilen aufzubauen, die entsprechend beispielsweise durch Vergusstaschen miteinander verbunden werden. Auch ist eine Kombination mit Ortbeton oder ein ausschließlicher Aufbau des Wasserschlosses aus Ortbeton denkbar.
Für das Pumpspeicherkraftwerk ist es außerdem von Vorteil, wenn zumindest ein Boden des/der Becken(s) des Oberreservoirs und/oder des Unterreservoirs und/oder des Wasserschlosses als Betonplatte, insbesondere als Betonplatte aus Ortbeton, ausgebildet ist. Unabhängig von der Beschaffenheit des Geländes ergibt sich somit ein stabiler und wasserdichter Untergrund. Auf die Betonplatte können die Bestandteile der Seitenwand, beispielsweise Betonfertigteile, aufgesetzt werden, wobei es denkbar ist, an den Grenzflächen zwischen Bodenplatte und Seitenwand Dichtprofile zur Abdichtung vorzusehen. Es ist ebenfalls denkbar, die Betonplatte aus Betonfertigteilen zusammenzusetzen.
Falls eine Stabilisierung des Untergrundes durch eine Betonplatte nicht notwendig sein sollte, ist es vorteilhaft, wenn der Boden des/der Becken(s) des Oberreservoirs und/oder des Unterreservoirs und/oder des Wasserschlosses als Folienabdeckung ausgebildet ist. Die Bauzeit der Becken kann so reduziert werden. Außerdem verringern sich die Kosten aufgrund des niedrigeren Materialeinsatzes und des geringeren baulichen Aufwands. Zur Stabilisierung der Seitenwand ist es in diesem Fall denkbar, die Bestandteile der Seitenwand mit Betonsockeln zu versehen. Die Folienabdeckung kann beispielsweise mit der Seitenwand verklebt werden, so dass eine wasserdichte Einheit entsteht. Die Folienabdeckung kann beispielsweise aus Polyvinylchlorid (PVC) bestehen. Es ist denkbar, unterhalb der Folienabdeckung ein Schotter- und/oder Sandbett vorzusehen.
Zusätzlich ist es von Vorteil, wenn nur das Wasserschloss durchgehend mittels einer Hochdruckleitung, insbesondere einem RTP-Rohr, mit einer Turbine der Kraftwerkseinheit verbunden ist.
Wenn die einzelnen Becken des Ober- bzw. Unterreservoirs auf demselben Höhenniveau liegen, und damit kein Potenzialunterschied zwischen ihnen besteht, der große Wasserdrücke generiert, sind die Anforderungen an die Rohrverbindungen zwischen den jeweiligen Becken wesentlich geringer als die Anforderungen an die Rohrverbindung zwischen Ober- und Unterreservoir. Es bietet sich daher aus Kostengründen an, nur die Verbindung zwischen Wasserschloss und Turbine als Hochdruckleitung auszuführen. Die Hochdruckleitung kann insbesondere eine „reinforced thermoplastic pipe“ (RTP) sein, die hohe Flexibilität und Belastbarkeit mit niedrigen Kosten verbindet.
Je nach Gelände und Landschaftsbild kann die Hochdruckleitung unter- und/oder oberirdisch verlegt sein. Selbstverständlich können mehrere, auch parellele, Rohrverbindungen dieser Art ausgebildet sein.
Einen weiteren Vorteil stellt es dar, wenn zumindest eine Pumpe oder eine Turbine oder eine Pumpturbine der Kraftwerkseinheit, vorzugsweise die gesamte Kraftwerkseinheit, zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, oberirdisch angeordnet ist. Auf diese Weise können vor allem auf schwierigem Gelände aufwendige Erdarbeiten vermieden werden. Wie bereits beschrieben, beinhaltet die Kraftwerkseinheit vorzugsweise wenigstens eine Pumpe und Turbine oder wenigstens eine Pumpturbine und eventuell die Steuerung für diese Elemente und/oder für das gesamte Pumpspeicherkraftwerk.
Zusätzlich vorteilhaft ist die Anordnung des Oberreservoirs, des Unterreservoirs und der Kraftwerkseinheit in Form eines V. Gemeint ist hier, dass die Kraftwerkseinheit, die sowohl mit dem Oberreservoir als auch mit dem Unterreservoir verbunden ist, auf dem niedrigsten Höhenniveau dieser dieser v-förmigen Anordnung liegt. Die Anordnung der Kraftwerkseinheit unterhalb des Unterreservoirs garantiert eine dauerhafte Funktion der Pumpe bzw. der Pumpturbine beim Pumpen, weil ansonsten erhebliche Schäden durch Kavitation unvermeidbar sind. Vorzugsweise beträgt der Höhenunterschied zwischen Unterreservoir und Kraftwerkseinheit etwa 10 % des Gesamthöhenunterschieds des Pumpspeicherkraftwerks.
Es liegt in der Natur der Sache, dass ein Pumpspeicherkraftwerk an einer Topographie mit Höhenunterschied positioniert wird - dementsprechend liegt in der Regel eine Hanglage vor. Diese Hanglage kann vorteilhaft dafür genutzt werden, Ober-, Unterreservoir und Kraftwerkseinheit über die Höhe gestaffelt anzuordnen, ohne einen großen baulichen Aufwand dafür zu generieren.
Diese Anordnung ermöglicht es auch, an einer deutlich höheren Anzahl von Standorten Pumpspeicherkraftwerke anordnen zu können, da nun nicht mehr wie bisher ein natürliches Wasserreservoir genutzt werden muss. Ein weiterer Vorteil ist es, alle baulichen Anlagen, nämlich Ober-, Unterreservoir und Kraftwerkseinheit, des Pumpspeicherkraftwerks sehr kompakt ausgeführt werden können, was dank reduzierter Erdbauarbeiten, reduzierter Grundstückskosten und reduzierter Hochdruckleitungen die Ersparnis signifikanter Investitionskosten ermöglicht.
In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls von Vorteil, die Becken des Unterreservoirs auf einer oder mehreren künstlichen Erhöhungen anzuordnen. Hierdurch können die Becken oberhalb der Kraftwerkseinheit angeordnet werden, ohne eine besondere Struktur des Geländes oder aufwendige Erdarbeiten. Die künstliche Erhöhung kann beispielsweise eine Aufschüttung, ein Betonsockel oder ein Gestell, insbesondere aus Stahl, sein und kann auch die Bodenplatte der Becken beinhalten.
Für das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbau eines Pumpspeicherkraftwerks mit einem Oberreservoir, einem Unterreservoir und einer Kraftwerkseinheit, wobei das Oberreservoir und/oder das Unterreservoir ein künstliches Becken beinhaltet, wird vorgeschlagen, dass zumindest das Unterreservoir aus mehreren künstlichen Becken aufgebaut wird.
Ein derartiges Verfahren erlaubt es, das Unterreservoir modular aufzubauen. Das Pumpspeicherkraftwerk kann beliebig erweitert werden. Außerdem kann das Gelände besser ausgenutzt werden und das Vorhandensein eines natürlichen Wasserspeichers ist nicht erforderlich. Das Landschaftsbild kann durch ein modulares Reservoir weniger belastet werden als durch ein einzelnes, im Vergleich wesentlich größeres Becken, da auf spezifische, lokale Gegebenheiten Rücksicht genommen werden kann.
Insbesondere werden die Becken des Unterreservoirs auf demselben Höhenniveau angeordnet und mithilfe eines Rohrsystems verbunden.
Die Becken können mit einer Abdeckung versehen werden, was sie vor äu-ßeren Einflüssen zumindest teilweise schützt.
Es ist für das Verfahren von Vorteil, wenn eine Vielzahl von als standardisierte Gleichteile ausgebildeten Betonfertigteilen vorgehalten wird und zumindest Seitenwände der künstlichen Becken des Unterreservoirs und/oder des Oberreservoirs jeweils aus einer Teilanzahl aus der Vielzahl der standardisierten Gleichteile aufgebaut werden.
Die Verwendung von Betonfertigteilen reduziert die Kosten und die Bauzeit in dem Verfahren zum Aufbau eines Pumpspeicherkraftwerks. Zum Aufbau einer wasserdichten und stabilen Einheit können die Gleichteile beispielsweise mit Ortbeton miteinander vergossen werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Seitenwände der künstlichen Becken des Unterreservoirs und/oder des Oberreservoirs jeweils aus einer gleichen Teilanzahl aus der Vielzahl der standardisierten Gleichteile aufgebaut werden. Dies erleichtert den Aufbau und die Planung des Aufbaus und führt zu gleichförmigen Becken, die das Speichervolumen optimal ausnutzen.
Falls beispielsweise ein Wasserschloss für das Pumpspeicherkraftwerk vorgesehen ist, kann es eventuell vorteilhaft sein, dies aus einer im Vergleich zu den anderen Becken unterschiedlichen Teilzahl aus der Vielzahl der standardisierten Gleichteile aufzubauen.
Einen weiteren Vorteil stellt es dar, wenn die Teilanzahl der standardisierten Gleichteile in Abhängigkeit von einem gewünschten Durchmesser und/oder einem gewünschten Volumen des jeweiligen Beckens festgelegt wird.
Für das Verfahren ist es vorteilhaft, wenn Abmessungen der Becken des Unterreservoirs und/oder des Oberreservoirs, insbesondere ein Radius oder ein Umkreisdurchmesser und/oder eine Höhe, in Abhängigkeit von einem Verhältnis der Herstellkosten der Seitenwand zu den Herstellkosten einer Bodenplatte der Becken festgelegt werden. Bei einem zylindrischen oder näherungsweise zylindrischen Becken hängt das zur Verfügung stehende Speichervolumen linear von der Höhe der Seitenwand ab. Hingegen steht das Volumen zum Radius in einem quadratischen Zusammenhang. Aufgrund der unterschiedlichen Herstellungskosten von Seitenwand und Bodenplatte und der unterschiedlichen Zusammenhänge zum Volumen kann sich ein Optimum für das Verhältnis von Radius zu Höhe einstellen.
Beispielsweise kann ein Optimum in einem Verhältnis von Radius und Höhe im Bereich von 2:1 bis 4:1 liegen. Analog kann ein Optimum im Verhältnis von Umkreisdurchmesser und Höhe zwischen 4:1 und 8:1 liegen.
Außerdem vorteilhaft ist die Platzierung der Becken des Unterreservoirs und/oder des Oberreservoirs zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, oberhalb einer natürlichen Geländeoberkante.
Mit natürlicher Geländeoberkante ist die Oberfläche des Geländes gemeint, die ohne Erdbauarbeiten für das Errichten der Becken zugänglich ist. Mit dem Verzicht auf Erdbauarbeiten können die Kosten für das Pumpspeicherkraftwerk und der Einfluss auf die Landschaft reduziert werden. Auch das Verlegen der Rohrleitungen kann vollständig oberirdisch durchgeführt werden.
Ein zusätzlicher Vorteil besteht in der Platzierung zumindest einer Pumpe der Kraftwerkseinheit, vorzugsweise der gesamten Kraftwerkseinheit, zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, oberhalb einer natürlichen Geländeoberkante. Somit kann auf teure Tiefbauarbeiten verzichtet werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, standardisierte Komponenten zu verwenden, die z.B. modular erweitert werden können.
Wie bereits erwähnt, ist es für den Pumpbetrieb des Pumpspeicherkraftwerks vorteilhaft, wenn die Pumpe oder Pumpturbine unterhalb des Unterreservoirs angeordnet ist. Es kann hierfür notwendig sein, die Pumpe oder Pumpturbine unterirdisch anzuordnen. Die Verwendung von mehreren künstlichen Becken für das Unterreservoir erlaubt es hingegen, entweder natürliche Höhenunterschiede derart auszunutzen, dass das Unterreservoir auch bei einem oberirdischen Anordnen der Pumpe oder Pumpturbine oberhalb dieser angeordnet ist. Auch ist eine Anordnung der Becken des Unterreservoirs auf einer oder mehreren künstlichen Erhöhungen wie Gestellen, Aufschüttungen oder Betonsockeln denkbar. Insgesamt kann so vermieden werden, die Pumpe oder Pumpturbine und damit möglicherweise die gesamte Kraftwerkseinheit unterirdisch anzuordnen, was nur mit teuren Tiefbauarbeiten möglich ist.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:

1 ein Schema eines erfindungsgemäßen Pumpspeicherkraftwerks,
2 eine Draufsicht auf ein künstliches Becken des Pumpspeicherkraftwerks,
3 eine Ansicht eines Betonfertigteils einer Seitenwand eines Beckens mit einer Folienabdeckung, und
4 eine Ansicht eines Betonfertigteils einer Seitenwand eines Beckens mit einer Betonplatte.

In 1 ist ein Schema eines erfindungsgemäßen Pumpspeicherkraftwerks 1 dargestellt. Unter Ausnutzung eines Höhenunterschieds verschiedener Höhenniveaus 2 wird die potenzielle Energie einer Wassermenge im Generatorbetrieb des Pumpspeicherkraftwerks 1 über eine Turbine in elektrische Energie umgewandelt. Im Pumpbetrieb des Pumpspeicherkraftwerks 1 wird elektrische Energie durch eine Pumpe in potenzielle Energie der Wassermenge umgewandelt. Im vorliegenden Beispiel sind Pumpe und Turbine in einer Pumpturbine 3 vereint. Für das Speichern der mit potenzieller Energie versehenen Wassermenge ist ein Oberreservoir 4 vorgesehen. Ein entsprechendes Unterreservoir 5 ist vorgesehen, um die Wassermenge im Generatorbetrieb aufzunehmen. Oberreservoir 4 und Unterreservoir 5 sind über ein Rohrsystem 6, das die Pumpturbine 3 enthält, miteinander verbunden. Die Pumpturbine 3 ist in einer Kraftwerkseinheit 7 angeordnet.
Das Unterreservoir 5 ist aus mehreren künstlichen Becken 8 aufgebaut. Diese sind vorzugsweise auf demselben Höhenniveau 2 angeordnet und über das Rohrsystem 6 miteinander verbunden. Außerdem sind die Becken 8 insbesondere gleichförmig ausgebildet und haben gleiche Abmessungen. Dies erlaubt die optimale Nutzung des verfügbaren Volumens eines jeden Beckens 8. Die beschriebene Ausgestaltung des Unterreservoirs 5 macht das Pumpspeicherkraftwerk 1 unabhängig von der Existenz natürlicher Wasserspeicher auf dem Höhenniveau 2 des Unterreservoirs 5. Außerdem lässt sich das bestehende Gelände mit wenig Aufwand optimal nutzen bzw. der Eingriff in die bestehende Landschaft minimieren. Auch kann das Unterreservoir 5 nahezu beliebig dimensioniert bzw. erweitert werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Oberreservoir 4 ebenfalls aus mehreren künstlichen Becken 8 aufgebaut. Diese sind untereinander und insbesondere zu den Becken 8 des Unterreservoirs 5 gleichförmig mit gleichen Abmessungen. Die Gleichförmigkeit der Becken 8 erleichtert Planung und Aufbau des Pumpspeicherkraftwerks 1. Außerdem lassen sich für den Aufbau der Becken 8 beispielsweise gleichförmige Betonfertigteile 9 (2) verwenden. Selbstverständlich ist es ebenfalls denkbar, die Becken 8 aus Ortbeton herzustellen. Die Kapazität des derartigen Pumpspeicherkraftwerks 1 lässt sich durch späteres Hinzufügen zusätzlicher Becken 8 erweitern, beispielsweise bei steigendem Bedarf des örtlichen Stromnetzes.
Das Pumpspeicherkraftwerk 1 weist auf dem obersten Höhenniveau 2 zum Ausgleich von Druckschwankungen im Rohrsystem 6 ein Wasserschloss 10 auf. Um Raum für Schwankungen des Wasserspiegels im Wasserschloss 10 zu gewinnen, ist dieses hier nicht gleichförmig zu den anderen Becken 8, sondern weist eine größere Höhe auf. Es ist aber ebenfalls denkbar, auch das Wasserschloss 10 zu den anderen Becken 8 gleichförmig zu gestalten. In jedem Fall ist es vorteilhaft auch das Wasserschloss 10 aus Betonfertigteilen 9 aufzubauen.
Alle Becken 8 inklusive des Wasserschlosses 10 sind über das Rohrsystem 6 miteinander verbunden. Allerdings ist nur das Wasserschloss 10 durchgängig über eine Hochdruckleitung 11 mit der Pumpturbine 3 der Kraftwerkseinheit 7 verbunden. In der Hochdruckleitung 11 entsteht der höchste Druck im Rohrsystem 6, womit hier die Ansprüche entsprechend hoch sind. Die restlichen Bestandteile des Rohrsystems 6 können aufgrund der niedrigen Druckunterschiede zwischen den einzelnen Becken 8 des Ober- (4) oder Unterreservoirs (5) als Standardleitungen ausgeführt sein, womit Kosten eingespart werden können.
Die Hochdruckleitung 11 kann beispielsweise als RTP-Rohr (reinforced thermoplastic pipe), gepanzerte Rohrleitung oder gepanzerter Druckschacht ausgebildet sein.
Auf dem niedrigsten Höhenniveau 2 befindet sich die Kraftwerkseinheit 7 des Pumpspeicherkraftwerks 1. Vor allem die Anordnung der Pumpe bzw. Pumpturbine 3 als Bestandteil der Kraftwerkseinheit 7 unterhalb des Unterreservoirs 5 ist für den Pumpbetrieb des Pumpspeicherkraftwerks 1 vorteilhaft. Oberreservoir 4, Unterreservoir 5 und Kraftwerkseinheit 7 sind in Form eines V angeordnet. Diese Anordnung kann beispielsweise durch eine unterirdische Platzierung der Kraftwerkseinheit 7 erreicht werden. Allerdings kann bei der Verwendung mehrerer künstlicher Becken 8 für das Unterreservoir 5 beispielsweise ein natürlicher Höhenunterschied ausgenutzt werden, wodurch aufwendige Erdarbeiten vermieden werden. Auch ist die Anordnung der Becken 8 des Unterreservoirs 5 auf einer oder mehreren künstlichen Erhöhungen denkbar.
In der Kraftwerkseinheit 7 können neben der Pumpturbine 3 weitere Pumpen, Turbinen und/oder Pumpturbinen 3 angeordnet sein. Außerdem kann die Kraftwerkseinheit 7 Steuerungselemente für die Pumpturbine 3 und/oder das gesamte Pumpspeicherkraftwerk 1 aufweisen.
2 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines Beckens 8 des erfindungsgemäßen Pumpspeicherkraftwerks 1. Die Form des Beckens 8 ist polygonzylindrisch, wobei eine Seitenwand 12 des Beckens 8 einen geschlossenen Polygonzug ergibt. Die Seitenwand 12 ist aus einzelnen Betonfertigteilen 9, die als ebene Wandtafeln bzw. standardisierte Gleichteile ausgebildet sind, aufgebaut. Die Betonfertigteile 9 können abseits der Baustelle des Pumpspeicherkraftwerks 1 in Serie kostengünstig hergestellt werden. Der Aufbau gleichförmiger Becken 8 aus einer jeweils gleichen Anzahl standardisierter Betonfertigteile 9 erleichtert Planung und Bau des Pumpspeicherkraftwerks 1.
Um die Stabilität und Dichtheit des Beckens 8 zu gewährleisten, sind die Betonfertigteile 9 durch Ortbetonfugen 13 miteinander verbunden. Hierzu weisen die Betonfertigteile 9 vorzugsweise wie angedeutet Vergusstaschen 14 auf, die den Ortbeton teilweise aufnehmen. Weiterhin wird die Verbindung zwischen den Betonfertigteilen 9 beispielsweise durch eine Anschlussbewehrung 15 (3) verstärkt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Querschnitt der Betonfertigteile 9 rechteckig. Ebenfalls denkbar ist ein trapezförmiger Querschnitt, wodurch die Ortbetonfuge 13 kleiner ausgebildet werden kann. Hierdurch steigt möglicherweise der Aufwand zur Herstellung der Betonfertigteile 9, allerdings sinkt der Materialbedarf der Ortbetonfugen 13.
3 zeigt eine Ansicht eines Betonfertigteils 9 für eine Seitenwand 12 eines Beckens 8 eines erfindungsgemäßen Pumpspeicherkraftwerks 1. Eine Folienabdeckung 16 ist mit dem Betonfertigteil 9 beispielsweise verklebt und bildet einen Boden 20 des Beckens 8. Die Folienabdeckung 16 sorgt für die Abdichtung des Beckens 8 gegenüber dem Untergrund. Auf diese Weise kann eine aufwendige Bearbeitung des Untergrunds vermieden werden. Allerdings ist es denkbar, die Folienabdeckung 16 auf einem Sand- und/oder Schotterbett anzuordnen.
Zur Stabilisierung weist das Betonfertigteil 9 einen Sockel 17 auf, da eine anderweitige Verbindung mit dem Untergrund hier entfallen kann. Zur Verbindung mit weiteren Betonfertigteilen 9 weist das Betonfertigteil 9 Vergusstaschen 14 auf, in denen eine Anschlussbewehrung 15 angeordnet ist.
4 zeigt ebenfalls eine Ansicht eines Betonfertigteils 9 für eine Seitenwand 12 eines Beckens 8 eines erfindungsgemäßen Pumpspeicherkraftwerks 1. In diesem Ausführungsbeispiel bildet eine Betonplatte 18 den Boden 20 des Beckens 8. Die Betonplatte 18 kann aus Ortbeton bestehen oder wie die Seitenwand 12 des Beckens 8 ebenfalls aus Betonfertigteilen 9 zusammengesetzt sein. Zur Abdichtung der Verbindung zwischen der Betonplatte 18 und dem Betonfertigteil 9 der Seitenwand 12 dient ein Dichtprofil 19. Auch in diesem Fall weist das Betonfertigteil 9 zur Verbindung mit weiteren Betonfertigteilen 9 Vergusstaschen 14 mit einer Anschlussbewehrung 15 auf.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.
Bezugszeichenliste

1: Pumpspeicherkraftwerk
2: Höhenniveau
3: Pumpturbine
4: Oberreservoir
5: Unterreservoir
6: Rohrsystem
7: Kraftwerkseinheit
8: Becken
9: Betonfertigteil
10: Wasserschloss
11: Hochdruckleitung
12: Seitenwand
13: Ortbetonfuge
14: Vergusstasche
15: Anschlussbewehrung
16: Folienabdeckung
17: Sockel
18: Betonplatte
19: Dichtprofil
20: Boden

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2014/195138 A1 [0004]

Claims

Pumpspeicherkraftwerk (1) mit einem Oberreservoir (4), einem Unterreservoir (5) und einer Kraftwerkseinheit (7), wobei das Oberreservoir (4) und/oder das Unterreservoir (5) ein künstliches Becken (8) beinhaltet, dadurch gekennzeichnet , dass das Unterreservoir (5) mehrere künstliche Becken (8) beinhaltet.
Pumpspeicherkraftwerk (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet , dass die mehreren künstlichen Becken (8) des Unterreservoirs (5) untereinander gleichförmig ausgebildet sind und vorzugsweise jeweils gleiche Abmessungen aufweisen.
Pumpspeicherkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Oberreservoir (4) aus mehreren, vorzugsweise untereinander gleichförmigen, künstlichen Becken (8) aufgebaut ist.
Pumpspeicherkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Becken (8) des Oberreservoirs (4) die gleichen Abmessungen wie die Becken (8) des Unterreservoirs (5) aufweisen.
Pumpspeicherkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die künstlichen Becken (8) des Unterreservoirs jeweils auf einer maximal 5 m voneinander abweichenden Höhenlage angeordnet werden und/oder dass die künstlichen Becken (8) des Oberreservoirs jeweils auf einer maximal 5 m voneinander abweichenden Höhenlage angeordnet werden.
Pumpspeicherkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Becken (8) des Unterreservoirs (5) und/oder des Oberreservoirs (4) kreiszylindrisch oder polygonzylindrisch ausgebildet sind, wobei ein Verhältnis von Radius zu Höhe zwischen 2:1 und 4:1 beträgt.
Pumpspeicherkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass zumindest eine Seitenwand (12) der Becken (8) des Unterreservoirs (5) und/oder des Oberreservoirs (4) aus Betonfertigteilen (9) aufgebaut ist, wobei vorzugsweise die Betonfertigteile (9) als standardisierte Gleichteile ausgebildet sind.
Pumpspeicherkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Seitenwand (12) nur aus den standardisierten Gleichteilen aufgebaut ist, welche mit Ortbetonfugen (13) verbunden sind.
Pumpspeicherkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Betonfertigteile (9), insbesondere die standardisierten Gleichteile, als ebene Wandtafeln ausgebildet sind und die Seitenwand (12) ein geschlossener Polygonzug ist.
Pumpspeicherkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Betonfertigteile (9), insbesondere die standardisierten Gleichteile, Vergusstaschen (14) mit einer Anschlussbewehrung (15) aufweisen.
Pumpspeicherkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Betonfertigteile (9), insbesondere die standardisierten Gleichteile, mit einer umlaufenden Spannbewehrung verbunden und abgedichtet sind.
Pumpspeicherkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Pumpspeicherkraftwerk (1) ein als künstliches Becken (8) ausgeführtes Wasserschloss (10) beinhaltet.
Pumpspeicherkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass zumindest eine Seitenwand (12) des Wasserschlosses (10) aus Betonfertigteilen (9), insbesondere aus den standardisierten Gleichteilen, aufgebaut ist.
Pumpspeicherkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass zumindest ein Boden (20) des/der Becken(s) (8) des Oberreservoirs (4) und/oder des Unterreservoirs (5) und/oder des Wasserschlosses (10) als Betonplatte (18), insbesondere als Betonplatte (18) aus Ortbeton, ausgebildet ist.
Pumpspeicherkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Boden (20) des/der Becken(s) (8) des Oberreservoirs (4) und/oder des Unterreservoirs (5) und/oder des Wasserschlosses (10) als Folienabdeckung (16) ausgebildet ist.
Pumpspeicherkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass nur das Wasserschloss (10) durchgehend mittels einer Hochdruckleitung (11), insbesondere einem RTP-Rohr (reinforced thermoplastic pipe), mit einer Turbine der Kraftwerkseinheit (7) verbunden ist.
Pumpspeicherkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass zumindest eine Pumpe der Kraftwerkseinheit (7), vorzugsweise die gesamte Kraftwerkseinheit (7), zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, oberirdisch angeordnet ist.
Pumpspeicherkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberreservoir (4), das Unterreservoir (5) und die Kraftwerkseinheit (7) V-förmig zueinander angeordnet sind, wobei am untersten Punkt die Kraftwerkseinheit (7) angeordnet ist.
Pumpspeicherkraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Becken (8) des Unterreservoirs (5) auf wenigstens einer künstlichen Erhöhung angeordnet sind.
Verfahren zum Aufbau eines Pumpspeicherkraftwerks mit einem Oberreservoir (4), einem Unterreservoir (5) und einer Kraftwerkseinheit (7), wobei das Oberreservoir (4) und/oder das Unterreservoir (5) ein künstliches Becken (8) beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Unterreservoir (5) aus mehreren künstlichen Becken (8) aufgebaut wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von als standardisierte Gleichteile ausgebildeten Betonfertigteilen (9) vorgehalten wird und dass zumindest Seitenwände (12) der künstlichen Becken (8) des Unterreservoirs (5) und/oder des Oberreservoirs (4) jeweils aus einer Teilanzahl aus der Vielzahl der standardisierten Gleichteile aufgebaut werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (12) der künstlichen Becken (8) des Unterreservoirs (5) und/oder des Oberreservoirs (4) jeweils aus einer gleichen Teilanzahl aus der Vielzahl der standardisierten Gleichteile aufgebaut werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilanzahl der standardisierten Gleichteile in Abhängigkeit von einem gewünschten Durchmesser und/oder einem gewünschten Volumen des jeweiligen Beckens (8) festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass Abmessungen der Becken (8) des Unterreservoirs (5) und/oder des Oberreservoirs (4), insbesondere ein Radius oder ein Umkreisdurchmesser und/oder eine Höhe, in Abhängigkeit von einem Verhältnis der Herstellkosten der Seitenwand (12) zu den Herstellkosten einer Bodenplatte der Becken (8) festgelegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Becken (8) des Unterreservoirs (5) und/oder des Oberreservoirs (4) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig oberhalb einer natürlichen Geländeoberkante platziert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass zumindest eine Pumpe der Kraftwerkseinheit (7), vorzugsweise die gesamte Kraftwerkseinheit (7), zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, oberhalb einer natürlichen Geländeoberkante platziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass zumindest ein technischer Bestandteil der Kraftwerkseinheit (7), insbesondere die Pumpe, vorzugsweise die gesamte Kraftwerkseinheit (7), modular aufgebaut und erweiterbar ist.